特許 5766095 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5766095

(24)【登録日】2015年6月26日

(45)【発行日】2015年8月19日

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/38 20100101AFI20150730BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 210

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-243174(P2011-243174)

(22)【出願日】2011年11月7日

(65)【公開番号】特開2013-98515(P2013-98515A)

(43)【公開日】2013年5月20日

【審査請求日】2014年5月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズンホールディングス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000131430

【氏名又は名称】シチズン電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126583

【弁理士】

【氏名又は名称】宮島 明

(72)【発明者】

【氏名】木下 嘉将

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３４５４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１０１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８１５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０１９６４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型半導体層及びｐ型半導体層、並びに前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層と接続するｎ側電極及びｐ側電極を備える半導体発光素子において、
長方形の電極面を有し、
前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極が前記電極面にそれぞれ一個ずつ配置され、
前記ｎ側電極が前記電極面の中央部にあり、
前記ｎ側電極に対して前記電極面の一方の短辺部に前記ｐ側電極があり、
前記ｎ側電極に対して前記電極面の他方の短辺部にフローティング電極があり、
前記ｐ側電極に対して前記ｐ型半導体層全体が低い抵抗で接続している
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項2】

前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極並びに前記フローティング電極の前記電極面側に反射性金属層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

【請求項3】

前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極並びに前記フローティング電極を電解メッキ法で形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。

【請求項4】

前記ｐ側電極を配置した前記一方の短辺部に、前記フローティング電極とは分離したフローティング電極を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はフリップチップ実装用の半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ウェハーから切り出された半導体発光素子（以後とくに断らない限りＬＥＤダイと呼ぶ）は、しばしば透明絶縁基板上に発光層を含む半導体層を備えた構成をとる。このようなＬＥＤダイを回路基板に実装した半導体発光装置（以後とくに断らない限りＬＥＤ装置と呼ぶ）では、ＬＥＤダイの透明絶縁基板とは反対側の面（以後電極面と呼ぶ）に突起電極を形成し、突起電極を介してＬＥＤダイと回路基板の電極を導電接続するフリップチップ実装（フェイスダウン実装ともいう）が行われることがある。このフリップチップ実装は、ワイヤボンディングを使う実装方法（フェイスアップ実装ともいう）に較べ熱伝導性や発光効率が良いという特徴がある。

【0003】

電極面にｎ側電極（カソード）とｐ側電極（アノード）を備えるＬＥＤダイにおいて、ｎ側電極及びその周囲が発光しないため、ＬＥＤダイの平面積が小さい場合、ｎ側電極は電極面の角部若しくは辺部に設けられていた。これに対し最近ではＬＥＤダイの平面積が大きくなり、電流を多く流し発光量を増加させるようになってきた。このような状況に対応するには電流分布を均一化することが有効であり、そのひとつの手段としてｎ側電極を電極面の中央の配置することがある。

【0004】

例えば特許文献１の図１（ａ）には、電極面の中央にＮ側電極１５、電極面の四隅にｐ側電極１６を備えたＬＥＤチップ１０（半導体発光素子）が示されている。特許文献１には電流分布の改善に関する記載はないが、ｎ側電極を電極面の中央に配置し、さらにｐ電極を対称的に配置すると、電流分布が均一化し大きな電流を流しても輝度向上が図りやすくなる、ということが知られている。また特許文献１の図２にはリードフレームにＬＥＤチップ１０をフリップチップ実装した様子が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３３６５７８７号公報 （図１、図２）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の図１に示されたＬＥＤダイ（ＬＥＤチップ１０）のように電極面の中央にｎ側電極（Ｎ側電極１５）があり、電極面の四隅にｐ側電極（Ｐ側電極１６）があると、ＬＥＤダイを実装する回路基板は電極パターンが複雑になる。つまりｐ側電極が分離しているので、ＬＥＤダイを回路基板に実装したときにフリップチップ実装面側の電極パターンにより全てのｐ側電極を接続しなければならなかったり、ｐ側電極にとり囲まれているｎ側電極と接続する電極パターンをｐ側電極と接続する電極パターンから引き出さなければならなかったりする。このように電極パターンが複雑化すると、回路基板が製造しにくくなるばかりでなく、実装が困難になったり回路基板が大型化したりする。

【0007】

そこで本発明は、この課題を解決するため、ｎ側電極が電極面の中央部にあっても、電流分布が均一で、回路基板の電極パターンを簡単化できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため本発明の半導体発光素子は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層、並びに前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層と接続するｎ側電極及びｐ側電極を備える半導体発光素子において、
長方形の電極面を有し、
前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極が前記電極面にそれぞれ一個ずつ配置され、
前記ｎ側電極が前記電極面の中央部にあり、
前記ｎ側電極に対して前記電極面の一方の短辺部に前記ｐ側電極があり、
前記ｎ側電極に対して前記電極面の他方の短辺部にフローティング電極があり、
前記ｐ側電極に対して前記ｐ型半導体層全体が低い抵抗で接続している
ことを特徴とする。

【0009】

上記構成の半導体発光素子をフリップチップ実装する回路基板は、フリップチップ実装面側においてｐ側電極と接続する回路基板の電極パターンがｎ側電極に対し一方側にだけあれば良い。同様にｎ側電極と接続する回路基板の電極パターンは、フリップチップ実装面においてｎ側電極に対し他方側にだけあれば良い。この電極パターンは中央部でｎ側電極と接続し、さらにフローティング電極とも接続する。このように回路基板のフリップチップ実装面側の電極パターンは一方側と他方側にそれぞれ設ければ良いだけなので形状や配置が簡単になる。このときｐ側電極とｐ型半導体層全体は低抵抗接続しているので電流分布が不均一にならない。

【0011】

前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極並びに前記フローティング電極の前記電極面側に反射性金属層を備えていても良い。

【0012】

前記ｎ側電極及び前記ｐ側電極並びに前記フローティング電極を電解メッキ法で形成しても良い。

【0013】

前記ｐ側電極を配置した前記一方の短辺部に、前記フローティング電極とは分離したフローティング電極を配置しても良い。

【発明の効果】

【0014】

以上のように本発明の半導体発光素子は、ｎ側電極が電極面の中央部にあっても、電流分布が均一で、且つ回路基板の電極パターンを簡単化する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態におけるＬＥＤダイの底面図。

【図2】図１に示したＬＥＤダイの断面図。

【図3】図１に示したＬＥＤダイから絶縁膜を剥がした状態の底面図。

【図4】図１に示したＬＥＤダイを含むＬＥＤ装置の断面図。

【図5】図４に示したＬＥＤ装置に含まれる回路基板の上面図。

【図6】本発明の第２実施形態におけるＬＥＤダイの底面図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図１〜６を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに特許請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。
（第１実施形態）

【0017】

図１により本発明の第１実施形態におけるＬＥＤダイ２０（半導体発光素子）の電極面を説明する。図１は本実施形態のＬＥＤダイ２０の底面図である。ＬＥＤダイ２０を底面側から眺めると、絶縁膜２４が占める領域のなかに２個のフローティング電極２５、ｎ側
電極２６並びにｐ側電極２７が見える。絶縁膜２４はｎ側電極２６とｐ側電極２７の周りが開口している。図中、ｎ側電極２６は電極面の中央部にあり、ｎ側電極２６の周りにｎ型半導体層２２が見える。ｐ側電極２７は電極面の右側（一方の辺部）にあり、ｐ側電極２７の周りにｐ型半導体層２３が見える。フローティング電極２５は電極面の左側（他方の辺部）にある。なおフローティング電極２５の詳細については後述する。

【0018】

本実施形態においては、ＬＥＤダイ２０は、広く普及しているフェイスアップ実装用ＬＥＤダイをフェイスダウン実装（フリップチップ実装）用ＬＥＤダイに転用したものとして説明する。フェイスアップ実装では回路基板に電極面とは反対側の面をダイボンディングし、絶縁膜２４の二つの開口部にＡｕ電極を形成し、それぞれの電極にｎ側のワイヤボンディング及びｐ側のワイヤボンディングを行う。本実施形態のＬＥＤダイ２０ではこのワイヤボンディング用の電極部にｎ側電極２６及びｐ側電極２７を形成している。なおフェイスアップ実装用ＬＥＤダイが連結して配列したウェハーを入手したとき、絶縁膜２４の開口部にはワイヤボンディングのためのＡｕ電極が形成されていることがある。この場合、ｎ側電極２６及びｐ側電極２７はこのＡｕ電極上に形成するので、ｎ側電極２６及びｐ側電極２７の周りではＡｕ電極の一部が見える。

【0019】

図２においてＬＥＤダイ２０の積層構造を説明する。図２は、図１のＡＡ線に沿って描いたＬＥＤダイ２０の断面図である。サファイア基板２１の下にはｎ型半導体層２２が形成され、さらにｎ型半導体層２２の下にｐ型半導体層２３が形成されている。なお図ではｐ型半導体層２３が分断されているように描かれているが、分断部はｐ型半導体層２３の開口部であり、左右のｐ型半導体層２３は接続している。絶縁膜２４は開口部を除きｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２３を被覆している。フローティング電極２５は絶縁膜２４の下面に接続して形成されている。ｎ側電極２６は絶縁膜２４及びｐ型半導体層２３の開口部においてｎ型半導体層２２と接続している。ｐ側電極２７は金属層２８を介して絶縁膜２４の開口部においてｐ型半導体層２３と接続している。また金属層２８は図３で後述するようにｐ型半導体層２３の周辺部に敷設されており、図２の左側ではｐ型半導体層２３に下に一部分が現れている。

【0020】

サファイア基板２１は透明絶縁基板であり厚さが８０〜１２０μｍである。ｎ型半導体層２２はＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮ層からなり厚さが５μｍ程度である。ｐ型半導体層２３は、透明電極層などを含む金属多層膜とｐ型ＧａＮ層からなり厚みが１μｍ程度である。図示していないが発光層はｐ型半導体層２３とｎ型半導体層２２の境界部にあり、平面形状はｐ型半導体層２３とほぼ等しい。絶縁膜２４はＳｉＯ２やポリイミドからなり厚さが数１００ｎｍ〜１μｍ程度である。フローティング電極２５、ｎ側電極２６並びにｐ側電極２７はＡｕ又はＣｕをコアとするバンプであり、電解メッキ法で形成し厚さが１０〜３０μｍ程度である。なお電解メッキ法において高反射アルミ層、ＴｉＷ層並びにＡｕ層を順に積層した共通電極を使用しているので、フローティング電極２５、ｎ側電極２６並びにｐ側電極２７は電極面側に反射層を備えている。金属配線２８はＡｕからなり、厚さは数１００ｎｍである。

【0021】

図３においてＬＥＤダイ２０の電極面をさらに詳しく説明する。図３はＬＥＤダイ２０の電極面からフローティング電極２５、ｎ側電極２６、ｐ側電極２７並びに絶縁膜２４を取り去った状態の底面図である。ｎ型半導体層２２の内側にｐ型半導体層２３があり、さらにｎ型半導体層２２は中央部のｐ型半導体層２３の開口部からも見える。図の右側においてｐ側電極２７（図２参照）のあった場所からｐ型半導体層２３の辺に沿って金属配線２８が延びている。金属配線２８は透明電極（図示せず）を介してｐ型ＧａＮ層とオーミック接続しており、ｐ型半導体層２３の端部まで低抵抗で電流が流れるように機能する。すなわち金属によりｐ型半導体層２３の周辺部とｐ側電極とが接続することで、ｐ側電極２７に対してｐ型半導体層２３全体が低い抵抗で接続する。

【0022】

前述したようにＬＥＤダイ２０はフェイスアップ実装用のＬＥＤダイをフリップチップ実装用に転用したものであった。ＬＥＤ２０のもととなったＬＥＤダイをフェイスアップ実装した場合、ｐ型半導体層２３側に光が出射する。このためｐ型半導体層２３表面には透明電極が形成され、さらに光の出射の大きな影響を与えないように低抵抗化のため細い金属配線２８を設けていた。しかしながら本発明のＬＥＤダイにおける低抵抗化は金属配線だけに限られない。例えば透明電極を低抵抗化してもよい。またＬＥＤダイをフリップチップ専用に設計できれば、ｐ型半導体層に反射層などさまざまな目的で金属層を積層できるので、この金属層によりｐ型半導体層全体に亘って抵抗を低くできる。

【0023】

図４においてＬＥＤダイ２０を含むＬＥＤ装置３０（半導体発光装置）について説明する。図４はＬＥＤ装置３０の断面図である。ＬＥＤダイ２０は回路基板３８にフリップチップ実装されている。フローティング電極２５及びｎ側電極２６は回路基板３８の上面に形成された内部接続電極３２（他方の電極パターン）と接続し、ｐ側電極２７は回路基板３８の上面に形成された内部接続電極３５（一方の電極パターン）と接続している。内部接続電極３２，３５はそれぞれスルーホール電極３３，３６を介して外部接続電極３４，３７と接続している。回路基板３８の上面及びＬＥＤダイ２０の周囲は蛍光樹脂３１で被覆されている。内部接続電極３２，３５及び外部接続電極３４，３７は、表面にＮｉ，Ａｕ層を備え厚さが数μｍ〜数１０μｍの銅箔である。スルーホール電極３３，３６は直径が１００〜３００μｍ程度のスルーホールに金属ペーストを充填している。なお輝度向上を図る場合、内部接続電極３２，３５は表面にＡｇ等の反射率の高い金属層を備えると良い。

【0024】

次に図５により回路基板３８の上面（フリップチップ実装面）を説明する。図５はＬＥＤ装置３０に含まれる回路基板３８の上面図である。回路基板３８の内側には矩形の内部接続電極３２，３５が形成されている。図４に示したように内部接続電極３２にはフローティング電極２５とｎ側電極２６が接続し、内部接続電極３５にはｐ側電極２７が接続する。

【0025】

このフローティング電極２５は、フリップチップ実装時にＬＥＤダイ２０へ圧力を掛けたとき、ＬＥＤダイ２０が傾かないように支持する。また発光層の発する熱の一部をｐ型半導体層２３、絶縁膜２４及びフローティング電極２５からなる経路で回路基板１４の内部接続電極３２に放出する。さらにフローティング電極２５はＬＥＤダイ２０と回路基板１４の接続を強固なものにする。これらの機能を達成するだけならフローティング電極はｐ型半導体層２３が占める領域に沿って形成すれば良い。しかしながら回路基板１４の内部接続電極３２を簡単な形状とするためには、例えば図１ならｎ側電極２６より左側に形成しなければならない。

【0026】

また図２等で示しているようにｎ側電極２６は絶縁膜２４の角部から離れている。この絶縁膜２４の角部はクラックが入っていたりピンホールがあったりする。すなわちＬＥＤダイ２０は、ｎ側電極２６が絶縁膜２４の角部から離れているため、絶縁膜２４のクラックやピンホールによるｐ型半導体層２３とｎ型半導体層２２のショートを防止している。
（第２実施形態）

【0027】

図１に示したＬＥＤダイ２０においてフローティング電極２５の平面形状は円形であった。しかしながらフローティング電極の平面形状は円形に限られない。また実装時の水平バランスをとるには少なくともｐ側電極とは反対側の辺部にフローティング電極があれば良いので、追加的なフローティング電極をｐ側電極の近傍に配置しても良い。そこでフローティング電極の変形例として図６により本発明の第２実施形態におけるＬＥＤダイ６０（半導体発光素子）の電極面を説明する。

【0028】

図６はＬＥＤダイ６０の底面図である。ＬＥＤダイ６０の電極面には、絶縁膜２４の内側にｎ側電極２６、ｐ側電極２７、フローティング電極６１，６２，６３がある。図１のＬＥＤダイ２０の電極面と同様に、ＬＥＤダイ６０の電極面の中央部にｎ側電極２６、右側（一方の辺部）にｐ側電極２７があり、絶縁膜２４の開口部においてｎ側電極２６及びｐ側電極２７の周囲にｎ型半導体層２２及びｐ型半導体層２３が見える。フローティング電極６１は電極面の左側（他方の辺部）にあり、コの字型で大きな面積を占めている。さらに電極面の右側にはｐ側電極２７と並ぶようにフローティング電極６２，６３がある。ｎ側電極２６、ｐ側電極２７、フローティング電極６１，６２，６３は図１のＬＥＤダイ２０と同様にメッキバンプである。すなわちＬＥＤダイ６０はＬＥＤダイ２０と同じＬＥＤダイ（バンプ形成前）に、同じ形状のｎ側電極２６及びｐ側電極２７を形成するとともに、異なった形状のフローティング電極６１，６２，６３を形成したものである。またこのＬＥＤダイ６０は回路基板３８（図４，５参照）にフリップチップ実装することができ、このとき内部接続電極３２にはｎ側電極２６とともにフローティング電極６１が接続し、内部接続電極３５にはｐ側電極２７とともにフローティング電極６２，６３が接続する。

【0029】

フローティング電極６１を大きくし、さらにフローティング電極６２，６３を追加した主な目的は、ＬＥＤダイの放熱特性の改善と輝度の向上である。ＬＥＤダイ６０は主に発光層で発熱するため、発光層と積層するｐ型半導体層２３（図２，３参照）は回路基板３８（図４，５参照）との間に大きな面積で熱伝導性の良い放熱経路を必要とする。フローティング電極６１，６２，６３は、大きな面積を持ち、金属からなるため熱伝導性も良好であるので優れた放電経路となる。またフローティング電極６１，６２，６３は、フローティング電極２５と同様に電極面側に反射層を備えており、広い面積を占めていることからＬＥＤダイ６０の発光効率を向上させることができる。

【0030】

第１実施形態のＬＥＤ２０及び第２実施形態のＬＥＤ６０ではｐ側電極２７が円形であった。ｐ側電極の形状も円形に限定されず、例えば絶縁膜２４のｐ側の開口部が長円形であれば、長円形のｐ側電極を形成しても良い。

【符号の説明】

【0031】

２０，６０…ＬＥＤダイ（半導体発光素子）、
２１…サファイア基板、
２２…ｎ型半導体層、
２３…ｐ型半導体層、
２４…絶縁膜、
２５，６１，６２，６３…フローティング電極、
２６…ｎ側電極、
２７…ｐ側電極、
２８…金属配線、
３０…ＬＥＤ装置（半導体発光装置）、
３１…蛍光樹脂、
３２，３５…内部接続電極（電極パターン）、
３３，３６…スルーホール電極、
３４，３７…外部接続電極、
３８…回路基板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】